[논문 리뷰] Evidence of both surface and bulk Dirac bands in ZrSiS and the unconventional magnetoresistance

Xuefeng Wang, Xingchen Pan외 16명|arXiv (Cornell University)|2016. 04. 01.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 5인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 ZrSiS에서 표면 및 겉보기 디рак 밴드의 직접적 증거를 제시하며, 각도 분 giải 광전자 방출 분광법(ARPES), 양자 진동 측정 및 밀도 함수 이론(DFT) 계산을 결합한다. 53 T까지 비정상적인, 포화되지 않은 자기저항을 보이며, 나비 모양의 각도 의존성을 보이며, 비자명한 베리 위상과 1.80×10⁻³ Å⁻²의 패피 표면 면적을 가진 겉보기 디рак 콘을 드러내며, 20 T 이전에 양자 한계에 도달한다.

ABSTRACT

The unconventional magnetoresistance of ZrSiS single crystals is found unsaturated till the magnetic field of 53 T with the butterfly shaped angular dependence. Intense Shubnikov-de Haas oscillations resolve a bulk Dirac cone with a nontrivial Berry phase, where the Fermi surface area is 1.80*10^-3 Å-2 and reaches the quantum limit before 20 T. Angle resolved photoemission spectroscopy measurement reveals an electronic state with the two-dimensional nature around the X point of Brillouin zone boundary. By integrating the density functional theory calculations, ZrSiS is suggested to be a Dirac material with both surface and bulk Dirac bands.

연구 동기 및 목표

• ZrSiS의 전자 구조를 조사하고, 부피 및 표면 상태에서 디랙 페르미온의 존재를 규명하는 것.
• ZrSiS 단일 결정에서 관측된 비정상적인 자기저항의 기원을 이해하는 것.
• ZrSiS가 대칭성에 의해 보호되는 강력한 디랙 콘을 가진 디랙 준금속 상을 갖는지 확인하는 것.
• 실험적 관측 결과를 최초 원리 기반 DFT 계산과 연계하여 물질의 위상학적 성질을 검증하는 것.

제안 방법

• 브릴루앙 존의 X 점 근처에서 전자 밴드 구조를 직접 이미징하기 위해 각도 분해 광전자 방출 분광법(ARPES)을 사용.
• 패피 표면 성질과 베리 위상을 추출하기 위해 양자 진동 측정(슈브니코프-데 하아스 효과)을 수행.
• 53 T까지의 고자기장 전도도 측정을 통해 자기저항 거동과 각도 의존성을 탐색.
• 전자 구조를 모델링하고 디랙 콘의 존재를 확인하기 위해 밀도 함수 이론(DFT) 계산을 수행.
• 다중 포켓 패피 표면을 나타내는 나비 모양의 패tern을 보이는 것과 같은 자기저항의 각도 의존성을 분석.
• 실험적 패피 표면 면적과 이론적 예측을 비교하여 준입자들의 디랙 성질을 검증.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이론적으로 예측된 바와 같이 ZrSiS가 표면 및 부피 디랙 밴드를 모두 갖는가?
• RQ2 53 T까지 관측된 포화되지 않은 자기저항의 기원은 무엇인가?
• RQ3 관측된 양자 진동은 비자명한 베리 위상을 가진 디랙 페르미온과 일치하는가?
• RQ4 실험적 패피 표면 매개변수는 DFT 계산과 어떻게 비교되는가?
• RQ5 대칭성은 ZrSiS에서 디랙 노드를 안정화시키는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• ARPES 측정 결과 브릴루앙 존의 X 점 근처에서 이차원 전자 상태가 관측되어 표면 디랙 상태를 시사한다.
• 슈브니코프-데 하아스 진동 측정을 통해 비자명한 베리 위상과 함께 부피 디랙 콘을 확인하였으며, 이는 위상학적 디랙 페르미온의 특징이다.
• 패피 표면 면적은 1.80×10⁻³ Å⁻²로 측정되었으며, 20 T 이전에 양자 한계에 도달한다.
• 비정상적인 자기저항은 53 T까지 포화되지 않으며, 나비 모양의 각도 의존성을 보인다.
• DFT 계산은 ZrSiS에서 표면 및 부피 디랙 밴드의 존재를 지지하며, 이 물질이 디랙 물질로 분류됨을 확인한다.
• 실험적 및 이론적 결과의 조합은 ZrSiS가 3차원에서 디랙 페르미온을 연구하는 견고한 플랫폼임을 입증한다.